JP6317959B2

JP6317959B2 - 冷却装置

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Publication number: JP6317959B2
Application number: JP2014045928A
Authority: JP
Inventors: 佳尚宮本
Original assignee: Amada Holdings Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2034-03-10
Also published as: JP2015169404A; WO2015137000A1; EP3128261A1; US10197318B2; EP3128261A4; US20160370047A1

Description

本発明は、例えば、レーザ加工装置用の冷却システムとして有用な冷却装置に関するものである。

レーザ加工装置には、２つの温度の異なる冷却水の供給先が存在する。一つはレーザ発振器であり、レーザ発振器には、例えば約２４℃前後の温度の冷却水を供給して冷却することが要請されている。もう一つはレーザ加工機であり、レーザ加工機には、レーザ発振器よりも温度の高い、例えば２７℃以上の温度の冷却水を供給して冷却することが要請されている。

従来のレーザ加工装置用の冷却システムでは、図７に示すように、２台のチラー（冷却装置）５０１，５０２を用意し、各チラー５０１，５０２から、２つの温度の異なる冷却水Ａ（２４±１℃）、Ｂ（２７℃以上）を各送給管Ａ１，Ｂ１と戻り管Ａ２，Ｂ２を介してレーザ発振器２とレーザ加工機３とにそれぞれ循環させていた。

しかし、２台のチラーを使用するシステムは、設備コスト、設置スペース、消費電力が２台分必要であり不経済である。

そこで、１台のチラーで、２つの異なる温度の冷却水を供給先に循環させる冷却装置が特許文献１において提案されている。

この特許文献１に記載された冷却装置は、冷凍サイクルの中の圧縮機と凝縮器の間に再熱器（サブ熱交換器）を介在させ、高温側の冷却水は、再熱器で昇温させたものを循環させるようにしている。つまり、低温側の冷却水Ａの供給先の排熱を吸収した冷媒の熱を利用して、高温側の冷却水Ｂの昇温を行っている。

特開平８−２６１６２６号公報

しかし、冷凍サイクルの中の圧縮機と凝縮器の間に再熱器を配置するだけでは、次のような問題が発生する可能性がある。

即ち、低温側の冷却水Ａの供給先（発熱源）の排熱量が多い場合、例えば、レーザ発振器（発熱源）が最大出力で稼働している高負荷の状態においては、高温側の冷却水Ｂが過剰加熱されることにより、冷凍サイクルの熱負荷が増大し冷却力不足を招く可能性がある。

本発明は、上記事情を考慮し、低温側の冷却水の供給先の稼働状態によらず、安定した冷却効果を得ることのできる冷却装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明の冷却装置は、冷媒を循環させる冷媒回路と、水槽と２つの異なる温度の冷却水供給先との間で冷却水を循環させ、循環経路中に前記冷媒と熱交換することで冷却水を冷却する冷却器を備えた水回路と、を有し、前記水回路は、前記２つの異なる温度の冷却水供給先のうち、第１の冷却水供給先に温度の低い冷却水を送給する第１の送給路と、前記２つの異なる温度の冷却水供給先のうち、第２の冷却水供給先に前記第１の送給路で送給する冷却水よりも温度の高い冷却水を送給する第２の送給路と、を有し、一方、前記冷媒回路は、圧縮機と凝縮器と膨張手段と前記冷却器内に配された蒸発器とアキュムレータとをこの順に配管接続し、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記凝縮器に流して凝縮させ、それを前記膨張手段にて減圧した後、前記蒸発器に供給して蒸発させ、前記蒸発後の冷媒を前記アキュムレータを介して前記圧縮機に戻す冷凍サイクルと、前記圧縮機と凝縮器の間に選択的に接続され、前記圧縮機から吐出された高温の冷媒の熱で前記第２の送給路を通して送給する冷却水の温度を上昇させる再熱器と、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記再熱器をバイパスして前記凝縮器に導入する第１の選択路と、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記再熱器を通した上で前記凝縮器に導入する第２の選択路と、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記第１の選択路と前記第２の選択路とにそれぞれ流す量を調整する制御手段と、を備え、前記第２の選択路に設けられた再熱器を第１の再熱器とし、前記膨張手段を第１の膨張手段とするとき、前記第２の選択路の途中の前記第１の再熱器と前記凝縮器との間に、前記凝縮器および前記第１の膨張手段をバイパスして前記蒸発器に冷媒を導入する第３の選択路が分岐接続され、この第３の選択路上に、前記第１の再熱器と直列に冷却水が循環することで、前記第１の再熱器を通過した冷媒の熱で前記第２の送給路を通して送給する冷却水の温度を上昇させる第２の再熱器と、該第２の再熱器を通過した冷媒を減圧した上で前記蒸発器に導入する第２の膨張手段とが設けられ、前記制御手段に、前記第２の選択路に冷媒を流している状態のときに、前記第１の再熱器を通過した冷媒を前記第２の選択路から前記第３の選択路に分岐導入する分岐制御手段が含まれていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の冷却装置であって、前記第１の再熱器および第２の再熱器は、前記第１の再熱器および第２の再熱器の内部を流れる冷却水が、第２の再熱器を通過した後に直列に第１の再熱器を流れ、且つ、冷媒の流れに対し対向流として流れるように冷却水流路が接続されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載の冷却装置であって、前記制御手段が、前記第１の再熱器に流す冷媒量と、前記第１の再熱器をバイパスして前記凝縮器に直接流す冷媒量とを調整するように制御することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、再熱器に流す冷媒量と、再熱器をバイパスして凝縮器に直接流す冷媒量とを制御することができるので、再熱器に流す冷媒量を多くすれば、低温側の冷却水の供給先（発熱源）の排熱量が少ない場合であっても、高温側の冷却水の水温低下（昇温不足）を防ぐことができ、高温多湿環境下において配管経路で結露が発生するおそれを無くすことができる。また、再熱器をバイパスして凝縮器に直接流す冷媒量を多くすれば、低温側の冷却水の供給先（発熱源）の排熱量が多い場合であっても、高温側の冷却水の過剰加熱を防ぐことができると共に、冷凍サイクルの冷却力を高めることができる。従って、低温側の冷却水の供給先の稼働状態によらず、安定した温度の冷却水を高温側と低温側の冷却水供給先に循環させることができる。

さらに、請求項１の発明によれば、再熱器を２つ直列に接続しており、必要な場合に、２つの再熱器で高温側の冷却水を効率よく昇温させることができる。従って、低温側の冷却水の供給先（発熱源）の排熱量が少ない場合であっても、高温側の冷却水の水温低下（昇温不足）を有効に防ぐことができ、高温多湿環境下において配管経路で結露が発生するおそれを無くすことができる。

請求項２の発明によれば、再熱器における冷媒の流れと冷却水の流れを対向流としているので、効率良く再熱器で冷媒と冷却水の熱交換を行わせることができる。

請求項３の発明によれば、制御手段が第１の再熱器に流す冷媒量と第１の再熱器をバイパスして凝縮器に直接流す冷媒量とを調整するように制御するので、第１の再熱器をバイパスして凝縮器に直接流す冷媒量を多くすれば、低温側の冷却水の供給先（発熱源）の排熱量が多い場合であっても、高温側の冷却水の過剰加熱を防ぐことができると共に、冷凍サイクルの冷却力を高めることができる。

本発明の実施形態の冷却装置を含むレーザ加工装置用の冷却システムの概念図である。同冷却装置の具体的な回路図である。同冷却装置の冷媒回路における通常運転時の冷媒の流れを示す図である。通常運転時に冷却不足を生じた場合の対応の仕方を示す図である。結露防止のための運転時の冷媒の流れを示す図である。最大冷却能力で運転する場合の冷媒の流れを示す図である。従来の冷却装置の概念図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は実施形態の冷却装置を含むレーザ加工装置用の冷却システムの概念図である。この冷却システムは、冷却装置であるチラー装置１と、２つの異なる温度の冷却水供給先であるレーザ発振器２およびレーザ加工機３との間で冷却水を循環させるものである。

チラー装置１からレーザ発振器２には、往路Ａ１を介して、例えば２４±１℃の温度の冷却水Ａを供給し、復路Ａ２を介して、レーザ発振器２からチラー装置１に冷却水を戻すようになっている。また、チラー装置１からレーザ加工機３には、往路Ｂ１を介して、例えば２７℃以上の温度の冷却水Ｂを供給し、復路Ｂ２を介して、レーザ加工機３２からチラー装置１に冷却水を戻すようになっている。

ここで、レーザ発振器２は、単波長のレーザ光を増幅してレーザ加工機３に出射し、レーザ加工機３は、発振器２より出射されたレーザ光を光路で伝播させてＣＮＣ４で制御された座標に導いて加工を行う。レーザ加工用のＣＮＣ（制御手段）４は、レーザ加工機３の他にレーザ発振器２やチラー装置１と通信し、全システムの制御を行なう。

チラー装置１は、２温度制御を行うものであるが、１台だけ装備されており、図２に示すように、冷媒を循環させる冷媒回路１０と、水槽１０１と２つの異なる温度の冷却水供給先（レーザ発振器２およびレーザ加工機３）との間で冷却水を循環させ、循環経路中に冷媒と熱交換することで冷却水を冷却する冷却器７０を備えた水回路１００と、からなる。

水回路１００は、２つの異なる温度の冷却水供給先のうち、第１の冷却水供給先であるレーザ発振器２に温度の低い冷却水Ａ（例えば、２４±１℃の冷却水）を送給する第１の送給路１１１と、２つの異なる温度の冷却水供給先のうち、第２の冷却水供給先であるレーザ加工機３に第１の送給路１１１で送給する冷却水Ａよりも温度の高い冷却水Ｂ（例えば、２７℃以上）を送給する第２の送給路１１２とを有する。

第１の送給路１１１は、レーザ発振器２の往路Ａ１に接続され、第２の送給路１１２は、レーザ加工機３への往路Ｂ１に接続されている。また、レーザ発振器２からの復路Ａ２は、戻り管路１１３を介して水槽１０１に接続され、レーザ加工機３からの復路Ｂ２は、戻り管路１１４を介して水槽１０１に接続されている。

第１の送給路１１１は、基端が水槽１０１の底部に近い排出口に接続され、先端が図示しない圧送ポンプやバルブを介して冷却器７０の入水口に接続されている。そして、冷却器７０の出水口が、レーザ発振器２の往路Ａ１に接続されている。

また、第２の送給路１１２は、基端が水槽１０１の底部に近い排出口に接続され、先端が図示しない圧送ポンプやバルブを介してレーザ加工機３の往路Ｂ１に接続されている。この第２の送給路１１２の途中には、後述する冷媒回路１０の循環経路中に介装された再熱器（第２の再熱器２２および第１の再熱器２１）が接続されており、再熱器を経由した冷却水がレーザ加工機３に供給されるようになっている。

一方、冷媒回路１０は、圧縮機１１と、凝縮器１２と、膨張弁（第１の膨張手段）１３と、冷却器７０内に配された蒸発器１４と、アキュムレータ１５とをこの順に配管接続し、圧縮機１１から吐出された冷媒を凝縮器１２に流して凝縮させ、それを膨張弁１３にて減圧した後、蒸発器１４に供給して蒸発させ、蒸発後の冷媒をアキュムレータ１５を介して圧縮機１１に戻す冷凍サイクル１０Ａを主要部として備えている。圧縮機１１としては、冷凍サイクル１０Ａの冷媒の循環量をコントロールできるものが用いられている。

また、この冷媒回路１０には、圧縮機１１と凝縮器１２の間に選択的に接続されるように第１と第２の再熱器２１，２２が設けられている。これら再熱器２１，２２は、圧縮機１１から吐出された高温の冷媒の熱（つまり、冷却器７０において冷却水Ａと熱交換することでレーザ発振器２の排熱を吸収した冷媒の熱）を利用して、第２の送給路１１２を通してレーザ加工機３に送給する冷却水Ｂの温度を２７℃以上に上昇させる熱交換器である。

冷媒回路１０には、圧縮機１１から吐出された冷媒を第１の再熱器２１をバイパスして凝縮器１２に導入する第１の選択路６１と、圧縮機１１から吐出された冷媒を第１の再熱器２１を通した上で凝縮器１２に導入する第２の選択路６２と、第２の選択路６２の途中の第１の再熱器２１と凝縮器１２との間に分岐接続され、第１の再熱器２１を通過した冷媒を、更に第２の再熱器２２とキャピラリチューブ（第２の膨張手段）２３を通すことで、凝縮器１２および膨張弁１３をバイパスして、蒸発器１４に導入する第３の選択路６３と、が設けられている。

第２の再熱器２２は、第１の再熱器２１と直列に冷却水が循環することで、第１の再熱器２１を通過した冷媒の熱で冷却水Ｂの温度を上昇させるものであり、キャピラリチューブ２３は、第２の再熱器２２を通過した冷媒を減圧した上で蒸発器１４に導入するものである。

また、第１の選択路６１、第２の選択路６２、第３の選択路６３の入口部には、それぞれ第１〜第３の電磁バルブＳＶ１〜ＳＶ３が設けられており、これら電磁バルブＳＶ１〜ＳＶ３の開度をＣＮＣ４によって調整（開度０％〜開度１００％の間で調整）することで、各選択路６１〜６３に流す冷媒量をコントロールすることができるようになっている。

従って、第１の電磁バルブＳＶ１と第２の電磁バルブＳＶ２とが、圧縮機１１から吐出された冷媒を第１の選択路６１と第２の選択路６２とにそれぞれ流す量を調整する制御手段の主たる要素に相当する。また、第３の電磁バルブＳＶ３が、第２の選択路６２に冷媒を流している状態のときに、第１の再熱器２１を通過した冷媒を第２の選択路６２から第３の選択路６３に分岐導入する分岐制御手段の主たる要素に相当する。

なお、第１の再熱器２１および第２の再熱器２２は、第１の再熱器２１および第２の再熱器２２の内部を流れる冷却水が、第２の再熱器２２を通過した後に直列に第１の再熱器２１を流れ、且つ、冷媒の流れに対し対向流として流れるように冷却水流路が接続されている。こうすることで、再熱器２１，２２で効率良く冷媒と冷却水の熱交換を行わせることができる。

次に各種の運転モードについて、図３〜図６を用いて説明する。なお、図中の太線で示すルートは冷媒が流れるルートである。

（１）通常運転モード：
図３に示すように、通常運転モード時には、第１の電磁バルブＳＶ１を閉じ、第２の電磁バルブＳＶ２を開く。そうすることにより、圧縮機１１から吐出された冷媒は、第２の選択路６２を通ることで、第１の再熱器２１で冷却水Ｂと熱交換し、冷媒に取り込まれたレーザ発振器２の排熱が、第２の送給路１１２を通る冷却水Ｂの昇温エネルギーとして利用される。これにより、レーザ加工機３に２７℃以上の温度の冷却水が送給される。

（２）通常運転モード実行時に冷却水Ｂの温度が過度に高温になった場合の運転モード：
通常運転モードを実行しているときに、つまり、図４に太実線で示すように、第２の選択路６２に冷媒を流している状態のときに、レーザ発振器（発熱源）２が最大出力で稼働し（高負荷の状態）、レーザ発振器２の排熱が多くなって、高温側の冷却水Ｂが過剰に加熱されるような事態が発生した場合には、そのままでは、冷凍サイクル１０Ａの熱負荷が増大し、冷却力不足を招く可能性がある。

そこで、そのような場合は、第１の電磁バルブＳＶ１を開く側に調整し、第２の電磁バルブＳＶ２を閉じる側に調整する。そうすると、図４の太点線で示すように、第１の選択路６１に流れる冷媒の量（第１の再熱器２１を通過せずに流れる冷媒の量）が増えることにより、冷却能力が上昇し、その結果、レーザ加工機３へ送給する高温側の冷却水Ｂの温度上昇を抑えることができる。最大冷却能力が必要な場合は、第２の電磁バルブＳＶ２を全閉すると共に、第１の電磁バルブＳＶ１を全開し、冷媒の全量を第１の再熱器２１を全く介さずに凝縮器１２に導入する。そうすることで、凝縮器１２への冷媒が増量し、冷却能力が最大になる。

このように第１の電磁バルブＳＶ１と第２の電磁バルブＳＶ２を制御することにより、第１の再熱器２１に流す冷媒量と、第１の再熱器２１をバイパスして凝縮器１２に直接流す冷媒量とを調整することができるので、第１の再熱器２１をバイパスして凝縮器１２に直接流す冷媒量を多くすれば、低温側の冷却水Ａの供給先（発熱源）の排熱量が多い場合であっても、高温側の冷却水Ｂの過剰加熱を防ぐことができると共に、冷凍サイクル１０Ａの冷却力を高めることができる。また、第１の再熱器２１に流す冷媒量を多くすれば、低温側の冷却水Ａの供給先（発熱源）の排熱量が少ない場合であっても、高温側の冷却水Ｂの水温低下（昇温不足）を防ぐことができる。従って、低温側の冷却水Ａの供給先（レーザ発振器２）の稼働状態によらず、安定した温度の冷却水を高温側の冷却水供給先（レーザ加工機３）に循環させることができる。

（３）低負荷運転時の結露を防止する運転モード：
例えば、レーザ発振器２（発熱源）が待機しているような低負荷状態において、発熱源の排熱量の低下により高温側の冷却水Ｂの水温低下が発生した場合には、図５に示すように、第１の電磁バルブＳＶ１を閉じると共に、第２および第３の電磁バルブＳＶ２，ＳＶ３を開く。そうすると、第１の再熱器２１と第２の再熱器２２を直列に冷媒が通る。従って、２つの再熱器２１，２２を使用することにより、圧縮機１１から吐出される冷媒の熱のみで、冷却水Ｂの温度を約２倍に高めることができる。そのため、高温側の冷却水Ｂの水温低下（昇温不足）を有効に防ぐことができ、高温多湿環境下においてレーザ加工機３の配管経路で結露が発生するおそれを無くすことができる。

（４）省電力モードから加工を再開するときの運転モード：
省電力モードから加工を再開するときには、冷却能力の復帰を最短時間とする必要がある。そこで、この場合は、第１の電磁バルブＳＶ１を開き、第２および第３の電磁バルブＳＶ２，ＳＶ３を閉じて、圧縮機１１から吐出された全量の冷媒を凝縮器１２に直接導入する。こうすることにより、最大冷却能力を発揮することができる。このとき、再熱器２１，２２は加熱を停止している。

１チラー装置（冷却装置）
２レーザ発振器（第１の冷却水供給先）
３レーザ加工機（第２の冷却水供給先）
１０冷媒回路
１０Ａ冷凍サイクル
１１圧縮機
１２凝縮器
１３膨張弁（第１の膨張手段）
１４蒸発器
１５アキュムレータ
２１第１の再熱器
２２第２の再熱器
２３キャピラリチューブ（第２の膨張手段）
６１第１の選択路
６２第２の選択路
６３第３の選択路
７０冷却器
１００水回路
１０１水槽
１１１第１の送給路
１１２第２の送給路
ＳＶ１第１の電磁バルブ（制御手段）
ＳＶ２第２の電磁バルブ（制御手段）
ＳＶ３第３の電磁バルブ（分岐制御手段）
Ａ低温側の冷却水
Ｂ高温側の冷却水

Claims

冷媒を循環させる冷媒回路と、
水槽と２つの異なる温度の冷却水供給先との間で冷却水を循環させ、循環経路中に前記冷媒と熱交換することで冷却水を冷却する冷却器を備えた水回路と、を有し、
前記水回路は、
前記２つの異なる温度の冷却水供給先のうち、第１の冷却水供給先に温度の低い冷却水を送給する第１の送給路と、
前記２つの異なる温度の冷却水供給先のうち、第２の冷却水供給先に前記第１の送給路
で送給する冷却水よりも温度の高い冷却水を送給する第２の送給路と、を有し、
一方、前記冷媒回路は、
圧縮機と凝縮器と膨張手段と前記冷却器内に配された蒸発器とアキュムレータとをこの順に配管接続し、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記凝縮器に流して凝縮させ、それを前記膨張手段にて減圧した後、前記蒸発器に供給して蒸発させ、前記蒸発後の冷媒を前記アキュムレータを介して前記圧縮機に戻す冷凍サイクルと、
前記圧縮機と凝縮器の間に選択的に接続され、前記圧縮機から吐出された高温の冷媒の熱で前記第２の送給路を通して送給する冷却水の温度を上昇させる再熱器と、
前記圧縮機から吐出された冷媒を前記再熱器をバイパスして前記凝縮器に導入する第１の選択路と、
前記圧縮機から吐出された冷媒を前記再熱器を通した上で前記凝縮器に導入する第２の選択路と、
前記圧縮機から吐出された冷媒を前記第１の選択路と前記第２の選択路とにそれぞれ流す量を調整する制御手段と、
を備え、
前記第２の選択路に設けられた再熱器を第１の再熱器とし、前記膨張手段を第１の膨張手段とするとき、
前記第２の選択路の途中の前記第１の再熱器と前記凝縮器との間に、前記凝縮器および前記第１の膨張手段をバイパスして前記蒸発器に冷媒を導入する第３の選択路が分岐接続され、
この第３の選択路上に、前記第１の再熱器と直列に冷却水が循環することで、前記第１の再熱器を通過した冷媒の熱で前記第２の送給路を通して送給する冷却水の温度を上昇させる第２の再熱器と、該第２の再熱器を通過した冷媒を減圧した上で前記蒸発器に導入する第２の膨張手段とが設けられ、
前記制御手段に、前記第２の選択路に冷媒を流している状態のときに、前記第１の再熱器を通過した冷媒を前記第２の選択路から前記第３の選択路に分岐導入する分岐制御手段が含まれていることを特徴とする冷却装置。
請求項１に記載の冷却装置であって、
前記第１の再熱器および第２の再熱器は、前記第１の再熱器および第２の再熱器の内部を流れる冷却水が、第２の再熱器を通過した後に直列に第１の再熱器を流れ、且つ、冷媒の流れに対し対向流として流れるように冷却水流路が接続されていることを特徴とする冷却装置。
請求項１に記載の冷却装置であって、
前記制御手段が、前記第１の再熱器に流す冷媒量と、前記第１の再熱器をバイパスして前記凝縮器に直接流す冷媒量とを調整するように制御することを特徴とする冷却装置。